Принцип действия трансформатора

Лекция 10

Трансформаторы

Электродвижущая сила мощных генераторов электростанций достаточно велика. А на практике зачастую требуется не очень высокое напряжение. Преобразования переменного тока, при котором напряжение увеличивается или уменьшается в несколько раз почти без затрат мощности, осуществляется с помощью трансформаторов.

Трансформатором называется статический электромагнитный аппарат, предназначенный для преобразования системы переменного тока одних параметров в систему переменного тока с другими параметрами

Впервые трансформатор создал в 1878-м году русский ученый Яблочков, а в начале ХХ в. его усовершенствовали профессор Усатин и профессор Киевского университета Доливо-Добровольский. Трансформатор состоит из замкнутого сердечника из ферромагнетика, на котором размещают две (иногда больше) катушки в виде обмоток из проволоки. Обмотки электрически не связаны друг с другом. Одну обмотку, которую включают в источник переменного напряжения, называют первичной, вторую обмотку, к которой присоединяют "нагрузку", потребляющую энергию, называют вторичной (рис.1):

Принцип действия трансформатора

Действие трансформатора основано на явлении электромагнитной индукции. При подключении первичной обмотки к источнику переменного тока в витках этой обмотки протекает переменный ток I₁, который создает в магнитопроводе переменный магнитопоток Ф. Замыкаясь в магнитопроводе, этот поток пронизывает обе обмотки, индуцируя в них ЭДС:

Из этих формул следует, что вычисленные ЭДС е₁ и е₂ могут отличаться друг от друга числами витков в обмотках. Применяя обмотки с различным соотношением витков, можно изготовить трансформатор на любое отношение напряжений.

При подключении ко вторичной обмотке нагрузки z_н в цепи потечет ток I₂ и на выводах вторичной обмотки установится напряжение U₂.

Обмотка трансформатора, подключенная к сети c более высоким напряжением, называется обмоткой высшего напряжения (ВН). А обмотка, присоединенная к сети меньшего напряжения — обмоткой низшего напряжения (НН).

Таким образом, трансформаторы — обратимые аппараты, то есть могут работать как повышающими, так и понижающими.

С помощью трансформатора снижают значения тока и увеличивают напряжение при передаче электрической энергии. Это способствует снижению тепловых потерь (Q = I²Rt - закон Джоуля-Ленца). Учитывая, что мощность тока равна произведению напряжения на ток, такое уменьшение тока не изменит передаваемой мощности.

Передачи электроэнергии на большие расстояния осуществляется на напряжении в несколько сотен тысяч вольт. Генераторы мощных электростанций вырабатывают ток с напряжением от 6 до 20 кВ. Для передачи электроэнергии от электростанций используют трансформаторы для повышения напряжения до нескольких сотен киловольт. На местах потребления электроэнергии при помощи трансформаторов напряжение уменьшают (рис. 2).

Трансформаторы служат для преобразования электрической энергии, получаемой от электрогенераторов, на другие параметры, более удобные для передачи на большие расстояния или потребления. Электрическая энергия характеризуется, как известно, напряжением, силой тока, частотой. В трансформаторах происходит преобразование напряжения и силы тока при одной и той же частоте. Если пренебречь потерями в трансформаторе (на крупных трансформаторах они составляют доли процента от номинальной мощности), то формула преобразования может быть записана в следующем виде

Из приведенной формулы можно записать выражение для коэффициента трансформации

, если К>1, то трансформатор является понизительным и снижает напряжение, если К<1 – повысительным. Передачу электроэнергии на дальние расстояния выгодно производить при больших напряжениях и малой силе тока. Поэтому для связи с системой и передачи энергии удаленным потребителям применяются повысительным трансформаторы. Для питания электродвигателей и освещения самой электростанции, т.е. для собственных нужд, используются понизительные трансформаторы.

Наибольшее распространение получили трехфазные трансформаторы, так как потери в них на 12-15% ниже, а расход активных материалов и стоимость на 20-25% меньше, чем в группе трех однофазных трансформаторов такой же суммарной мощности.

Прогресс в трансформаторостроении позволил изготовить трехфазные трансформаторы на напряжение 220 и 500 кВ мощностью до 630 МВА, на 330 кВ – 1000 МВА и автотрансформаторы 500/110 кВ мощностью в единице 250 МВА. Предельная единичная мощность трансформаторов ограничивается условиями транспортировки, массой и размерами.

Однофазные трансформаторы применяются, если невозможно изготовление трехфазных трансформаторов необходимой мощности или затруднена их транспортировка. Наибольшая мощность группы однофазных трансформаторов напряжением 500 кВ – 1600 МВА; напряжением 750 кВ – 1200 МВА.

По количеству обмоток различного напряжения на каждую фазу трансформаторы разделяются на двухобмоточные и трехобмоточные. Кроме того, обмотки одного и того же напряжения, обычно низшего, могут состоять из двух и более параллельных ветвей, изолированных друг от друга, и от заземленных частей. Такие трансформаторы называются трансформаторами с расщепленными обмотками. Эти трансформаторы обеспечивают подсоединение нескольких генераторов к одному повышающему трансформатору.